32位RISC CPU ARM芯片的应用和选型 领域, 嵌入式, 芯片, 知识产权, 半导体

梦景

ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来，直以IP（Intelligence Property）提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过50多家，国中兴通讯和华为通讯等公司已经购买ARM公司芯核用于通讯专用芯片的设计。
目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDMI等。自V5以且，ARM公司提供Piccolo DSP的芯核给芯片设计得，用于设计ARMDSP的SOC（System OnChip）结构芯片。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统（RealTime Operating System）供应商的支持，比较知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。
随着国内嵌入式应用领域的发展，ARM芯片必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于ARM芯片有多达十几种的芯核结构，70多芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难。所以，对ARM芯片做一对比研究是十分必要的。
1 ARM芯片选择的一般原则
从应用的角度，对在选择ARM芯片时所应考虑的主要困素做一详细的说明。
1.1 ARM芯核
如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU（memorymanagement unit）功能的ARM芯片，ARM720T、Stron-gARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都带有MMU功能。而ARM7TDMI没有MMU，不支持Windows CE和大部分的Linux，但目前有uCLinux等少数几种Linux不需要MMU的支持。
1.2 系统时钟控制器
系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz，ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz，ARM10最高可以达到700MHz。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只有一个主时钟频率，这样的芯片可能不能同时顾及UART和音频时钟准确性，如Cirrus Logic的EP7312等；有的芯片内部时钟控制器可以分别为CPU核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供同频率的时钟，如PHILIPS公司SAA7750等芯片。
1.3 内部存储器容量
在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片。见表1。
表1 内置存储器的ARM芯片

芯片型号	供应商	FLASH容量	ROM容量	SRAM容量
AT91F40162   AT91FR4081   SAA7750   PUC3030A   HMS30C7202   ML67Q4001   LC67F500	ATMEL   ATMEL   Philips   Micronas   Hynix   OKI   Snayo	2M Bytes   1M Bytes   384K Bytes   256K Bytes   192K Bytes   256K Bytes   640K Bytes	256K bytes	4K Bytes   128K Bytes   64K bytes   56K bytes         32K bytes

1.4 USB接口
许多ARM芯片内置有USB控制器，有些芯片甚至同时有USB Host和USB Slave控制器。见表2。
表2 内置USB控制器的ARM芯片

芯片型号	ARM内核	供应商	USB Slave	USB Host	IIS接口
S3C2410   S3C2400   S5N8946   L7205   L7210   EP9312   Dragonball MX1   SAA7750   TMS320DSC2x   PUC3030A   AAEC-2000   ML67100   ML7051LA   SA-1100   LH7979531   GMS320C7201	ARM920T   ARM920T   ARM7TDMI   ARM720T   ARM720T   ARM920T   ARM920T   ARM720T   ARM7TDMI   ARM7TDMI   ARM920T   ARM7TDMI   ARM7TDMI   StrongARM   ARM7TDMI   ARM720T	Samsung   Samsung   Samsung   Linkup   linkup   Cirrus Logic   Motorola   Philips   TI   Micronas   Agilent   OKI   OKI   Intel   Sharp   Hynix	1   1   1   1   1   0   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1	2   2   0   1   1   3   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0	1   1   0   0   0   1   1   1   0   5   0   0   0   0   0   1

1.5 GPIO数量
在某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可能的GPIO数量，但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。
1.6 中断控制器
ARM内核只提供快速中断（FIQ）和标准中断（IRQ）两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750，所有GPIO都可以设置成FIQ或IRQ，并且可以选择升沿、下降沿、高电平、低电平四种中断方式。这使得红外线遥控接收、指轮盘和键盘等任务都可以作为背景程序运行。而Cirrus Logic公司的EP7312芯片，只有4个外部中断源，并且 每个中断源都只能是低电平或才高电平中断，样在用于接收红外线信号的场合时，就必须用查询方式，会浪费大量CPU时间。
1.7 IIS（Integrate Interface of Sound）接口
即集成音频接口。如果设计者频应用产品，IIS总线接口是必需的。
1.8 nWAIT信号
外部总线速度控制信号。不是每个ARM芯片都提供这个信号引脚，利用这个信号与廉价的GAL芯片就可以实现与符合PCMCIA标准的WLAN卡和Bluetooth卡的接口，而不需要外加高成本的PCMCIA专用控制芯片。另外，当需要扩展外部DSP协处理器时，此信号也是必需的。
1.9 RTC（Real Time Clock）
很多ARM芯片都提供实时时钟功能，但方式不同。如Cirrus Logic公司的EP7312的RTC只是一个32位计数器，需要通过软件计算出年月日时分秒；而SAA7750和S3C2410等芯片的RTC直接提供年月日时分秒格式。
1.10 LCD控制器
有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64K彩色TFT LCD控制器。在设计PDA和手持式显示记录设备时，选用内置LCD控制器的ARM芯片如S1C2410较为适宜。
1.11 PWM输出
有些ARM芯片有2～8路PWM输出，可以用于电机控制或语音输出等场合。
1.12 ADC和DAC
有些ARM芯片内置2～8通道8～12位通用ADC，可以用于电池检测、触摸屏和温度监测等。PHILIPS的SAA7750更是内置了一个16位立体声音频ADC和DAC，并且带耳机驱动。
1.13 扩展总线
大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM扩展接口，不同的ARM芯片可以扩展的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8位、16位或32位。某些特殊应用ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能。
1.14 UART和IrDA
几乎所有的ARM芯片都具有1～2个UART接口，可以用于和PC机通讯或用Angel进行调试。一般的ARM芯片通讯波特率为115，200bps，少数专为蓝牙技术应用设计的ARM芯片的UART通讯波特率可以达到920Kbps，如Linkup公司L7205。
1.15 DSP协处理器，见表3。
表3 ARM+DSP结构的ARM芯片

芯片型号	供应商	DSP core	DSP MIPS	应 用
TMS320DSC2X   Dragonball MX1   SAA7750   VWS22100   STLC1502   GMS30C3201   AT75C220   AT75C310   AT75C320   L7205   L7210   Quatro	TI   Motorola   Philips   Philips   ST   Hynix   ATMEL   ATMEL   ATMEL   Linkup   Linkup   OAK	16bits C5000   24bits 56000   24bits EPIC   16bits OAK   D950   16bits Piccolo   16bits OAK   16bits OAK   16bits OAK   16bits Piccolo   16bits Piccolo   16bits OAK	500      73   52         40   40x2   60X2	Digital Camera   CD-MP3   CD-MP3   GSM   VOIP   STB   IA   IA   IA   Wireless   Wireless   Digital Image

1.16 内置FPGA
有些ARM芯片内置有FPGA，适合于通讯等领域。见表4。
表4 ARM+FPGA结构的ARM芯片

芯片型号	供应商	ARM芯核	FPGA门数	引脚数
EPXA1   EPXA4   EPXA10   TA7S20系列	Altera   Altera   Altera   Triscend	ARM922T   ARM922T   ARM922T   ARM7TDMI	100K   400K   1000K   多种	484   672   1020   多种

1.17 时钟计数器和看门狗
一般ARM芯片都具有2～4个16位或32位时钟计数器和一个看门狗计数器。
1.18 电源管理功能
ARM芯片的耗电量与工作频率成正比，一般ARM芯片都有低功耗模式、睡眠模式和关闭模式。
1.19 DMA控制器
有些ARM芯片内部集成有DMA（Direct Memory Access），可以和硬盘等外部设备高速交换数据，同时减少数据交换时对CPU资源的占用。
另外，还可以选择的内部功能部件有：HDLC，SDLC，CD-ROM Decoder,Ethernet MAC,VGAcontroller，DC-DC。可以选择的内置接口有：IIC，SPDIF，CAN，SPI，PCI，PCMCIA。
最后需说明的是封装问题。ARM芯片现在主要的封装有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封装具有芯片面积小的特点，可以减少PCB板的面积，但是需要专用的焊接设备，无法手工焊接。另外一般BGA封装的ARM芯片无法用双面板完成PCB布线，需要多层PCB板布线。
2 多芯核结构ARM芯片的选择
为了增强多任务处理能力、数学运算能力、多媒体以及网络处理能力，某些供应商提供的ARM芯片内置多个芯核，目前常见的ARM+DSP，ARM+FPGA，ARM+ARM等结构。
2.1 多ARM芯核
为了增强多任务处理能力和多媒体处理能力，某些ARM芯片内置多个ARM芯核。例如Portal player公司的PP5002内部集成了两个ARM7TDMI芯核，可以应用于便携式MP3播放器的编码器或解码器。从科胜讯公司（Conexant）分离出云的专门致力于高速通讯芯片设计生产的MinSpeed公司就在其多款高速通讯芯片中集成了2～4个ARM7TDMI内核。
2.2 ARM芯核+DSP芯核
为了增强数学运算功能和多媒体处理功能，许多供应商在其ARM芯片内增加了DSP协处理器。通常加入的DSP苡核有ARM公司的Piccolo DSP芯核、OAK公司16位定点DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56KDSP芯核等。见表3。
2.3 ARM芯核+FPGA
为了提高系统硬件的在线升级能力，某些公司在ARM芯片内部集成了FPGA。见表4。
3 主要ARM芯片供应商
目前可以提供ARM芯片的著名欧美半导体公司有：英特尔、德洲仪器、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、Cirrus Logic、Linkup、Parthus、LSI Logic、Micronas,Silicon Wave、Virata、Portalplayer inc.、NetSilicon，Parthus。见表5。日本的许多著名半导体公司或东芝、三菱半导体、爱普生、富士通半导体、松下半导体等公司较早期都大力投入开了自主的32位CPU结构，但现在都转向购买ARM公司的芯核进行新产品设计。由于它们购买ARM版权较晚，现在还没有可销售的ARM芯片，而OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm等日本半导体公司目前都已经已经指生产了ARM芯片。韩国的现代半导体公司也生产提供ARM芯片。另外 ，国外也很多设备制造商采用ARM公司芯核设计自己的专用芯片，如美国的IBM、3COM和新加坡的创新科技等。我国台湾地区可以提供ARM芯片的公司台积电、台联电、华帮电子等。其它已购买ARM芯核，正在设计自主版板权专用芯片的大陆公司会为通讯中兴通讯等。
表5 主要ARM芯片供应商及其代表性产品和主要应用领域

供应商	芯片1	芯片2	芯片3	芯片4	主要应用
Intel   TI   Samsung   Motorola   Philips   Cirrus Logic   Linkup   ATMEL   OKI   Sharp   Qualcomm   ST   Infineon   Analog   Hynix   Micronas   Conexant   Agilent   Portalpayer   NEC   NetSilicon   LSI Logic   Alcatel   Altera   Panasonic   Silicon Wave   OAK   Rohm   Parthus   Intersil   SiRF   Sirius   Sanyo   Virata   Agere	SA-110   TMS320DSC21   S3C44B0X   Dragonball MX1   SAA7750   EP7209   L7200   AT91R40XXX   ML67100   LH75400/1   MSP1000   STLC1502   PMB7754   AD20MSP430   GMS30C7201   PUC3030A   CN9414   AAEC-2000   PP5002   UPD65977   NET+15   CBP3.0   MTC20276   EPXA1   MN1A7T0200   SiW1750   Quatro   BU6611AKU   InfoSream   ISL3856   SiRF Star II   CDMAx   VOL101   Helium   T8300	SA-1100   TMS320DSC24   S3C2410      VWS22100   EP7212   L7205   AT75C310   ML7051LA   LH79520   MSM3000   STw2400         HMS30C7202      CX82100            NET+40   CBP4.0   MTK20141   EPXA4                        DIRAC      Helium 200   T8302	SA-1110   TMS320DSC25   S3C4510      VCS94250   EP7312   L7210   AT76C901   ML67Q4000   LH79531/2/3   MSM5000            HMS39C7092                  NET+50   L64324   MTK20285   EPXA10                              Helium 210	IXP1200   PMAP1510   S5N8946      VW26001   EP9312      AT76C502   ML67Q2300   LH7A400   MSM6000                                    MTC20277                                 Lithium	Palm PC,Network   Digital Camera   ADSL,PDA   BT，PDA   MP3,GSM,3G,BT   GP,MP3   Wireless   GP,Wireless   GP,BT   Portable handheld   CDMA   VOIP，BT   BT   GSM   STB,GP   GP,MP3   Network,Modem   IA   MP3,PDA   Configurable   Ethernet   CDMA   ISDN,ADSL   Configurable   PDA,Phone   BT   Digital Image   ISDN   Wireless Internet   802.11b,WLAN   GPS   3G CDMA   CD-R HDC   Communications   Mobile phone

4 选择方案举例
表6列举的最佳方案仅供参考，由于SOC集成电路的发展非常迅速，今天的最佳方案到明天就可以不是最佳的了。因此任何时候在选择方案时，都应广泛搜寻一下主要的ARM芯片供应商，以找出最适合芯片。
表6 最佳应用方案推荐

应 用	第一选择方案	第二选择方案	注 释
高档PDA	S3C2410	Dragon ball MX1
便携CDMP3播放器	SAA7750		USB和CD-ROM解码器
FLASH MP3播放器	SAA7750	PUC3030A	内置USB和FLASH
WLAN和BT应用产品	L7205，L7210	Dragon ball MX1	高速串口和PCMCIA接口
Voice Over IP	STLC1502
数字式照相机	TMS320DSC24	TMS320DSC21	内置高速图像处理DSP
便携式语音email 机	AT75C320	AT75C310	内置双DSP，可以分别处理MODEM和语音
GSM手机	VWS22100	AD20MSP430	专为GSM手机开发
ADSL Modem	S5N8946	MTK-20141
电视机顶盒	GMS30C3201		VGA控制器
3G移动电话机	MSM6000	OMAP1510
10G光纤通信	MinSpeed公司系列ARM芯片		多ARM核+多DSP核

11011

个人感觉，一定有外国的幕后推手
等中国的大型民生日用品公司一个个的都倒下后，国外的洋品牌价格就会狂飙了。。。。。。。。。。。